CN114268551A

CN114268551A - 一种基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法

Info

Publication number: CN114268551A
Application number: CN202111539461.2A
Authority: CN
Inventors: 阎星娥; 杨昆; 刘慰慰; 严荣明; 张�林; 袁勇斌; 薛世峰; 石旦; 李森林
Original assignee: Nanjing Huafei Data Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Huafei Data Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本发明属于网络拓扑测绘领域，涉及一种自治域级网络拓扑测绘方法，尤其涉及一种基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法。包括S1、采用主被动协同采集方式进行域间数据源收集；S2、整合不同来源的数据信息，规范数据存储格式；S3、计算自治域传输度数和节点度数，对所有自治域按照传输度数倒序排序，形成自治域初始化排序；S4、自治域商业关系推测；S5、计算每个自治域的客户自治域数量，完成自治域排名；S6、生成自治域路径。本发明通过主被动协同采集方式，数据更为全面，并且通过自治域路径信息，完成国家级网络拓扑测绘。

Description

一种基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法

技术领域

本发明属于网络拓扑测绘领域，涉及一种自治域级网络拓扑测绘方法，尤其涉及一种基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法。

背景技术

域间路由系统是互联网路由系统的核心，由数万个分布在全球的自治域（Autonomous System，AS）和它们之间的连接构成。每个自治域属于一个特定的组织机构或互联网服务提供商（Internet Service Provider，ISP），包含了处于同一机构相同策略管理之下的若干网络和路由器，由一个唯一确定的整数标识。域间路由系统的核心是边界网关协议 BGP（Boarder Gateway Protocol，BGP），它工作在各个自治域路由器之间并保证各自治系统之间的连通性。一条 BGP 路由给出了通往一个目的网络前缀所要穿越的自治域路径（AS Path）。根据自治域路径上出现的自治域节点和它们之间的连接，可构建出互联网在自治域级的拓扑结构。

现有的自治域拓扑分析方法的结果优劣很大程度上取决于自治域路径信息的完整性。实际上，通过RouteViews和RIPE RIS采集到的BGP数据，都只是互联网整体拓扑的部分视图，最终生成的网络拓扑并不完整，无法反映真实的互联网拓扑结构。更为完整的网络拓扑信息有助于帮助研究人员在更现实的条件下设计和评估新的网络协议或服务。此外，现有的自治域拓扑研究主要集中在自治域商业关系推断，缺乏国家级的网络拓扑测绘。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，采用主被动协同的方法，融合主动采集的BGP Traceroute数据、被动采集的BGP报文数据和互联网上公开的BGP数据源信息，生成了更为完整的自治域拓扑信息，并以此实现自治域级网络拓扑测绘。从而解决自治域拓扑数据源数据不完整的问题。

本发明是采取以下技术方案实现的：

基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，包括如下步骤：

S1、采用主被动协同采集方式进行域间数据源收集；

S2、利用步骤S1得到的数据信息构建BGP路由信息数据库，整合不同来源的数据信息，规范数据存储格式；

S3、计算自治域传输度数和节点度数，对所有自治域按照传输度数倒序排序，形成自治域初始化排序；其中，自治域传输度数指该自治域对其它自治域之间起到传输作用的度量，节点度数指该自治域的邻居节点个数；

S4、自治域商业关系推测；

S5、计算每个自治域的客户自治域数量，完成自治域排名；

S6、生成自治域路径。

步骤S1的具体收集过程，包括如下步骤：

S1-1、主动采集，通过部署在不同地理位置的采集节点，利用Traceroute探针从IPv4/24地址前缀中随机选择目的地，获取IP 级路径数据；根据IP自治域地址库，获取前述IP级路径数据中的IP对应的自治域，将IP级路径转换为自治域级路径；

S1-2、被动采集，通过通道化信号采集设备获取目标网络的流量数据，捕获解析BGP报文，获取BGP路由信息；所述通道化信号采集设备支持自动分析和识别通道结构，识别连续级联和虚级联，可以根据通道识别结果进行子通道线路打标，实现线路清分；

S1-3、互联网公开数据源采集，通过RouteViews、RIPE RIS提供的BGP存档链接获取最新的公开BGP路由信息。所述BGP存档链接为BGP报文的下载地址，可下载到最新的BGP报文数据。

步骤S2的具体操作，包括如下步骤：

S2-1、重复路径消除，即对于自治域路径中出现的连续相同的自治域，只保留一个；

S2-2、过滤无效路径；

无效路径包括以下四部分：

（1）路径中含有保留自治域或尚未分配的自治域；

（2）路径中出现循环路径，即，如果在路径中某个自治域出现不止一次，且被其它自治域隔开，认为是无效路径；

（3）若路径中出现互联网交换点路由服务器使用的自治域，从该路径中删除该自治域；互联网交换点（Internet eXchange Point，IXP）是一个物理基础架构，它允许不同的互联网服务提供商直接互联，通过交换来减少对各自上行提供商的依赖，进而减少互联网服务提供商的运营成本，降低用户的互联网访问费用；

（4）路径延长原则，如果存在一条路径是另一条路径的延续，保留最长路径。

步骤S6生成自治域路径的方法包括如下步骤：

S6-1、提取非出口路径库和出口路径库；

即根据自治域对应的国家信息，计算自治域出口类型；所述出口类型是指根据自治域对应的国家信息，如果在自治域路径中某个自治域与属于另一个国家的自治域相连，那么该自治域属于出口类型自治域，否则属于非出口类型自治域；根据自治域路径信息，采用三段式提取方式，获取非出口自治域路径集合与出口自治域路径集合；

S6-2、寻找自治域路径最顶端自治域；具体的是，分别遍历步骤S6-1生成的自治域路径集合中的每条路径，获取路径的最顶端自治域，如果最顶端自治域不止一个，认为该路径为无效路径；

S6-3、对于属于同一个最顶端自治域的不同路径，基于该自治域进行路径组合，按照路径起点进行分组，得到出口自治域路径信息和非出口自治域路径信息；

S6-4、补充路径信息；

对给定的起点自治域和终点自治域，若步骤S6-3生成的数据中无相关路径信息，根据自治域商业关系以深度优先遍历方式寻找可能的路径，并保留最短路径信息。

有益效果：本发明通过主被动协同采集方式，数据更为全面，并且通过自治域路径信息，完成国家级网络拓扑测绘。

附图说明

图1是本发明模型的实现架构图；

图2是主动采集的数据样例；

图3是被动采集中BGP更新报文数据样例；

图4是RouteViews、RIPE RIS提供的BGP存档链接地址；

图5是通过互联网公开数据源获取到的BGP数据样例；

图6是计算自治域传输度数和节点度数样例；

图7是生成的出口自治域路径数据样例；

图8是寻找自治域路径信息的伪代码；

图9是寻找自治域路径信息的伪代码对应的程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施方式对一种基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法进行如下说明：

1）域间数据源收集。采用主被动协同采集方式。

1-1）主动采集，在不同地理位置部署采集节点，实现Traceroute探针，从IPv4/24地址前缀中随机选择目的地，测量转发的IPv4路径，获取IP级路径数据，如图2所示即为获取的IP级路径数据。以图2中的第三行为例，“192.168.1.15”表示源IP地址，“110.175.105.115”表示目的IP地址，“1585864036”表示采集的时间戳，“192.168.1.250-61.245.144.1”表示从源IP地址到目的IP地址中间经过的IP路径。根据IP自治域库，获取IP路径中的每一个IP对应的自治域，得到自治域级路径；

1-2）被动采集，通过通道化信号采集设备获取目标网络的流量信息，捕获解析BGP更新报文。更新报文中含有AS_PATH属性，属于公认必遵属性，标识了到达一个目的地所经过的自治域信息，从中获取AS_SEQUENCE类型的自治域路径信息。如图3所示即为BGP的更新报文信息，其中Segment Type的值标明自治域路径类型，此处为“AS_SEQUENCE”；“PathAttribut–AS_PATH”的值标明自治域路径，此处为“100 200”；

1-3）互联网公开数据源采集，通过RouteViews、RIPE RIS提供的BGP存档链接获取最新的公开BGP路由信息，如图4所示即为RouteViews、RIPE RIS提供的BGP存档链接地址。RouteViews和RIPE RIS是两个公开的用于研究BGP数据的项目，BGP数据以MRT格式按日期提供，通过使用bgpdump工具读取。如图5所示即为读取MRT格式文件后获取到的BGP数据，其中的“as_path”列即为自治域路径信息。

2）构建BGP路由信息数据库，整合不同来源的数据信息，规范数据存储格式。

2-1）重复路径消除，对于自治域路径中出现的连续相同的自治域，只保留一个，即对于AS1->AS2->AS3->AS3->AS4，路径消除后的路径为AS1->AS2->AS3->AS4；

2-2）过滤无效路径。无效路径包括以下三部分：① 根据互联网号码分配局（Internet Assigned Numbers Authority，IANA）自治域分配信息，删除含有保留自治域或尚未分配的自治域的路径；② 路径中出现循环路径，即，如果在路径中某个自治域出现不止一次，且被其它自治域隔开，认为是无效路径；③根据PeeringDB公开数据库中的互联网交换点路由服务器信息，若路径中出现互联网交换点路由服务器使用的自治域，从该路径中删除该自治域；④ 路径延长原则，如果存在一条路径是另一条路径的延续，只保留最长路径，即对于AS1-> AS2与AS1-> AS2->AS3两条路径，仅保留AS1-> AS2->AS3。

3）计算自治域传输度数和节点度数。根据自治域路径信息，统计在路径中间出现的自治域的邻居节点的个数，得到传输度数；统计各自治域的邻居节点个数，得到节点度数。如图5所示，左侧为自治域路径图，右侧为根据该路径图计算得到的节点传输度数和节点度数。对所有自治域按照传输度数倒序排序，若传输度数相同，按节点度数倒序排列，形成自治域初始化排序。

4）自治域商业关系推测。① 生成顶层自治域团体。首先从传输度数最高的10个自治域中获取最大团，生成初始顶层自治域团体；按照3）中生成的排名依次判断其它自治域，将符合条件的添加进顶层自治域团体，顶层自治域彼此之间形成全互联子图，通过p2p关系连接；若出现在顶层自治域团体中的任意两个自治域被不在该团体中的自治域分开，过滤该路径；②使用3）中生成的排名从上至下推断其它自治域商业关系。

5）计算每个自治域的客户自治域数量。通过p2c关系递归遍历自治域所能达到的自治域数量，按照自治域数量倒序排序，完成自治域排名。

6）生成自治域路径。

6-1）提取非出口路径库和出口路径库。首先根据自治域对应的国家信息，计算自治域出口类型，获取所有出口自治域列表。根据自治域路径，采用三段式提取方式，即对于自治域路径AS1（非出口）->AS2（出口）->AS3（出口）<-AS4（非出口）<-AS5（非出口），非出口路径库中包含AS1->AS2、AS5->AS4->AS3两条路径，出口路径库中包括AS2->AS3一条路径，形成非出口自治域路径集合与出口自治域路径集合；

6-2）寻找自治域路径最顶端自治域。分别遍历步骤6-1）生成的治域路径集合中的每条路径，获取路径的最顶端自治域。如果最顶端自治域不止一个，认为该路径为无效路径；

6-3）对于属于同一个最顶端自治域的不同路径，基于该自治域进行路径组合。组合路径时，对最顶端自治域两端包含有相同自治域的路径进行排除。最后按照路径起点进行分组，得到出口自治域路径信息和非出口自治域路径信息。如图7所示即为生成的出口自治域路径数据；

6-4）补充路径信息。对给定的起点自治域和终点自治域，若6-3）生成的数据中无相关路径信息，根据自治域商业关系以深度优先遍历方式，寻找可能的路径。如图8和图9所示，分别为寻找自治域路径的伪代码和伪代码对应的程序流程图。对于寻找到的路径，验证是否符合Valley-free原则，即一个自治域路径在穿越了一个p2c或者p2p连接后，不能再穿越一个c2p或者p2p连接。对符合条件的路径只保留路径最短的一个。合并6-3）和6-4）生成的结果，得到自治域路径信息。

通过结合主动采集、被动采集、互联网公开数据源三个来源的数据，弥补单一自治域拓扑数据源存在局限的问题，生成的自治域商业关系更为丰富，得到的自治域路径信息更加完整，对自治域级网络拓扑的测绘更符合实际情况。

上述实施例和实际应用证明，本发明方法生成了更为完整的自治域拓扑信息，并以此实现自治域级网络拓扑测绘。从而解决自治域拓扑数据源数据不完整的问题。

Claims

1.一种基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、采用主被动协同采集方式进行域间数据源收集；

S4、自治域商业关系推测；

S5、计算每个自治域的客户自治域数量，完成自治域排名；

S6、生成自治域路径。

2.根据权利要求1所述的基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，其特征在于，步骤S1的具体收集过程，包括如下步骤：

S1-2、被动采集，通过通道化信号采集设备获取目标网络的流量数据，捕获解析BGP报文，获取BGP路由信息；所述通道化信号采集设备支持自动分析和识别通道结构，识别连续级联和虚级联，能够根据通道识别结果进行子通道线路打标，实现线路清分；

S1-3、互联网公开数据源采集，通过RouteViews、RIPE RIS提供的BGP存档链接获取最新的公开BGP路由信息；所述BGP存档链接为BGP报文的下载地址，能下载到最新的BGP报文数据。

3.根据权利要求1所述的基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，其特征在于，步骤S2的具体操作，包括如下步骤：

S2-2、过滤无效路径。

4.根据权利要求3所述的基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，其特征在于，无效路径包括以下四部分：

（1）路径中含有保留自治域或尚未分配的自治域；

（3）若路径中出现互联网交换点路由服务器使用的自治域，从该路径中删除该自治域；

5.根据权利要求1所述的基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，其特征在于，步骤S6生成自治域路径的方法包括如下步骤：

S6-1、提取非出口路径库和出口路径库；

即根据自治域对应的国家信息，计算自治域出口类型；根据自治域路径信息，采用三段式提取方式，获取非出口自治域路径集合与出口自治域路径集合；

S6-4、补充路径信息；

6.根据权利要求5所述的基于主被动协同的自治域级网络拓扑测绘方法，其特征在于，步骤S6-1所述出口类型是指根据自治域对应的国家信息，如果在自治域路径中某个自治域与属于另一个国家的自治域相连，那么该自治域属于出口类型自治域，否则属于非出口类型自治域。